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尽管面临巨大的挑战,在光电子领域人们对Si仍寄予厚望,各种具有纳米结构的Si材料所显现的不同于体Si材料的光学性质特别是发光特性,激起了人们对发光Si材料和Si基光电子器件的极大兴趣。其中,纳晶Si镶嵌二氧化硅(Si-NCs/SiO2)是不久的将来最有希望在光电子领域获得突破的发光Si材料之一。本硕士学位论文以Si-NCs/SiO2为研究对象材料,以无定形氧化硅(a-SiOx)沉积和退火处理为Si-NCs/SiO2的制备方法,以a-SiOx向Si-NCs/SiO2的转变过程为研究内容,通过对a-SiOx和经过一定退火处理的样品、包括已转变为Si-NCs/SiO2的结构的表征分析和特性的考察研究,重点探讨与a-SiOx的相分离和纳晶Si的形成有关的过程和机理。以高纯Si为靶材料,在低气压02气氛中用脉冲激光沉积方法沉积了O含量x约为1.2的无定形SiOx,其在近红外波段的折射率为1.7左右,消光系数接近0(～10-4),在可见至近红外波段的透射率超过80%,而在紫外强吸收区的吸收系数则随着波长的减小而急剧增大,在紫外光激励下只有微弱的缺陷发光。在N2气氛中1100℃温度下退火60 min后,a-SiOx转变为Si-NCs/SiO2,其中纳晶Si的平均半径为4.5 nm,由于富余Si的析出基质成为化学成份配比的SiO2,Si-NCs/SiO2的折射率减小到1.65,消光系数增大一个量级,透射率和吸收系数则基本不变。由此制备的Si-NCs/SiO2具有良好的发光性能,在紫外光激励下发射很强的具有纳晶Si发光特征的荧光。实验还发现,在0.7 Pa 02气压下沉积的O含量为1.2的a-SiOx经过退火处理后发光性能最优。通过考察退火温度和退火时间对样品结构和特性的影响,详细研究了退火处理使a-SiOx向Si-NCs/SiO2的转变过程,发现这并不是个简单的通常所称的相分离过程,而是包括a-SiOx中富余Si的析出和析出Si的结晶并成为Si纳米显镶嵌在余下的Si02基质之中,而且这两个过程的发生条件和发生速率有很大的差别。傅里叶变换红外光谱分析显示,a-SiOx中富余Si从500℃左右开始析出,Si的析出程度随着温度的升高而逐渐提高,温度升至1000℃可使Si的析出过程基本完成。而Raman散射光谱分析则表明,析出Si的结晶温度高得多,直至1000℃才有小部分的Si结晶,1100℃左右可使析出的Si有效结晶成为纳晶Si,而温度过高则容易使析出的si生长为较大的晶粒,导致晶粒的平均尺寸过大；分析结果还表明,即使在最合适的温度下析出Si的结晶速率远远小于富余Si的析出速率,退火10min左右就已有一定量的Si结晶,a-SiOx转变为具有一定纳晶si浓度的Si-NCs/SiO2,直至120 min这一过程仍在继续,而在结晶之前析出的Si则以无定形Si团簇的形态存在。上述关于a-SiOx向Si-NCs/SiO2转变的过程和机理能很好地解释样品光致发光特性随退火条件的变化。经过1000℃退火的样品开始发射具有纳晶Si发光特征的荧光,荧光强度随着退火温度的提高而增强,1100℃退火后的样品荧光最强,继续提高退火温度则由于晶粒平均尺寸增大、发光纳晶Si浓度减小而荧光强度减弱。此外,在1100℃温度下,延长退火时间可有效增强Si-NCs/SiO2的光致发光强度,提高Si-NCs/SiO2的发光性能。